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© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 1
Reti IP e multimedialità
Prof. PIER LUCA MONTESSORO
Facoltà di IngegneriaUniversità degli Studi di Udine
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 2
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Nota di Copyright
Disegni geometrici e grafica pittorica
• Oggetti ben definiti descrivibilimatematicamente
• Contorni netti, “fill” regolari
• Rappresentano un modello diimmagini reali
• Elementi irregolari, oggetti nonben definiti
• Sfumature di colore
• Rappresentano immagini reali
Codifica della grafica pittorica
0000000000000110000000 .....0000000000011110000000 .....0000000001100110000000 .....0000000110000110000000 .....00000110000001100 ..........
PIXEL (picture element)
1 bit/pixel = bianco e nero (senza grigi)8 bit/pixel = 256 livelli di grigio
Risoluzione
vector oriented bitmap
Immagini bitmap:la codifica del colore
• Sintesi sottrattiva
luce bianca filtri colorati luce colorata
Immagini bitmap:la codifica del colore
• Sintesi additiva
colori primari
luce colorata
Codifica del colore:true color
• Si associa ad ogni pixel una tripletta divalori, uno per colore primario
248 168 5R G B
248 168 5R G B
255 255 255R G B
Immagini bitmap:la palette
• Si associa ad ogni pixel un indice cheindividua una riga di una tabellacontenente le triplette RGB dei coloriutilizzati nell’immagine (metafora dellatavolozza del pittore)
27
0 0 0R G B
5 26 177112 25 9
...
248 168 5
...
012
27 colo
r pa
lette
27
Il movimento
Cinema: 24fotogrammi/secondo
Televisione:25 fotogrammi/secondo (PAL)
30 fotogrammi al secondo (NTSC)
Nel gergo televisivo italiano i fotogrammi si chiamano “quadri”
In inglese: “fotogramma”=“frame”
Sfarfallio (“flickering”)
Cinema: ognifotogramma vieneproiettato due volte
Televisione:ogni quadro viene trasmesso in
due parti (righe pari e righedispari), così la frequenza diventa
di 50 (o 60) semiquadri/secondo
Codifica digitale del video
• Qualità VHS• 352x240 pixel• a 256 colori, 30 fps → 2.5 MB/s
• Qualità TV broadcast• 720x480 pixel• a 256 colori, 30 fps → 10 MB/s
• HDTV• 1440x1152 pixel• a 256 colori, 30 fps → 50 MB/s
SERVONO TECNICHEDI COMPRESSIONE!!!
Animazioni
• Permettono di descriveregeometricamente i movimenti deglielementi dei disegni
• Richiedono applicativi specifici (es.Flash di Macromedia)
• Possono essere utilizzati in ambito webmediante opportuni plug-in
• Complessità di sviluppo abbastanzaelevata
Il segnale audio
amplificatore
microfono: converte il suonoin variazioni di una tensioneo corrente elettrica
suono: successionedi compressioni erarefazioni dell’aria
amplificatore: amplifica il livellodella tensione/corrente
segnale audio analogico(elettrico)
t
V
Teorema del campionamento
t
V
t
V
segnale di campionamento
segnale da campionare X
se Fc≥ B questo segnalecontiene tutta l’informazionedel segnale originale
Tc
Alcuni esempi
• Voce per telefonia digitale PCM (PulseCode Modulation)• B ≅ 3400 Hz (il canale telefonico ha
banda 300-3400 Hz)
• Fc = 8 kHz• Quantizzazione: 8 bit/campione
• 64 kb/s
• 1 minuto: 480 kB
Alcuni esempi
• Musica su CD audio• B ≅ 20 kHz (l’insieme di frequenze udibili
dall’orecchio umano è 20-20000 Hz)
• Fc = 44.1 kHz• Quantizzazione: 16 bit/campione (per
ognuno dei due canali: il CD è stereo)
• 1.411 Mb/s
• 1 minuto: circa 10 MB
Tecniche di compressione
codificainformazione
compressione
daticompressi
decodifica decompressione
dati
informazione dati
Compressione senza perdita(lossless)
codificainformazione
compressione
daticompressi
decodifica decompressione
dati
informazione dati
α β γ
α’ β’
sizeof (γ) < sizeof (β), β’ = β, α’ = α
Compressione con perdita (lossy)
codificainformazione
compressione
daticompressi
decodifica decompressione
dati
informazione dati
α β γ
α’ β’
sizeof (γ) << sizeof (β), β’ ≠ β, α’ ≈ α
Come funzionano?
• Compressione senza perdita• migliora l’efficienza della codifica
dell’informazione basandosi sulla frequenzastatistica dei dati
• Compressione con perdita• riduce la ridondanza nella codifica
dell’informazione eliminando quegli elementinon (o poco) percepibili dai nostri sensi
JPEG encoder: schema a blocchi
blocco di8x8 pixel
DCT
8x8 coefficientidi frequenzespaziali
quantization
quantizationtable
entropyencoder(Huffmancoding) zig-zag
scan
DPCMon AC
components
RLEon DC
components
Y
VU
L’immagine vieneseparata inluminanza (Y) edue componenti dicrominanza (U e V)
MPEG-2: risoluzioni previste
ResolutionLevel Frame Rate
Maximum Bit Rate Application
Low
Main
High 1440
High
352 x 240
720 x 480
1440 x 1152
1920 x 1080
30 fps
30 fps
30 fps
30 fps
4 Mbps
15 Mbps
60 Mbps
80 Mbps
Consumer VCR and MPEG-1 Compatability
Commercial TV
Consumer HDTV
Professional HDTV Production
Digital satellite TV, DVD
Motion compensated predictionFotogramma N-1
finestra di ricercadel movimento
blocco di immaginedi cui si calcola ilvettore di movimento
Fotogramma N
blocco di errore
differenzenei pixeldel blocco
Sequenze di immagini
tempo
I B B P B B P
I (Intra-pictures): codifica senza riferimento ad altri fotogrammiP (Inter-frame predicted pictures): codifica con riferimento allapiù vicina I o P-pictureB (Bi-directional predicted/interpolated pictures): codificabasata sia sul fotogramma precedente che sul successivo,utile per “fast reverse play”
Compressione audio
• Le diverse tecniche si basano su studi dipsicoacustica
• Nella combinazione di più suoni (es.musica), una parte considerevoledell’informazione sonora non è “sentita”dall’ascoltatore medio e può esseresoppressa
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Cosa si ottiene?
• Le codifiche multimediali portano aFLUSSI CONTINUI DI DATI NUMERICI
• La trasmissione, ricezione ericostruzione dell’informazione audio ovideo deve avvenire alla stessa velocitàdella sua generazione
Commutazione di circuito
Commutazione di circuito
• Il percorso da un estremo all’altro dellaconnessione:• deve essere disponibile prima dell’inizio
della comunicazione
• viene impegnato per tutta la durata dellacomunicazione (addebito a tempo)
• Bassi ritardi di propagazione• un circuito elettrico produce ritardi di
circa 5 ms per 1000 km
Commutazione di pacchetto
Commutazione di pacchetto
• Possibile perdita di pacchetti
• Possibile ordine dei pacchetti in arrivodifferente da quello in trasmissione
• Maggiori ritardi rispetto allacommutazione di circuito
• Addebito a volume e non a tempo
• Miglior sfruttamento dei canali
Pacchetto
header(intestazione)
info tail(coda)
packet(pacchetto)
indirizzodestinatario
indirizzomittente
dati FCS
Servizi
• “Connection oriented” (orientati allaconnessione)• Modello telefonico
• si apre la connessione• si scambiano i messaggi• si chiude la connessione
• “Connectionless” (non orientati allaconnessione)• Modello postale
• si affida il messaggio al sistema di inoltro
Servizi
• Servizi affidabili• Gestiscono la ritrasmissione in caso di
errori
• Garantiscono la ricezione completa ecorretta di tutti i messaggi
• Possono introdurre ritardi inaccettabili
• Servizi non affidabili• non garantiscono la corretta ricezione
dei messaggi
Servizi datagram
• Senza riscontro (non usanoresponse/confirm), in analogia con itelegrammi
• Sono servizi• non orientati alla connessione
• non affidabili
• Esempio: IP (Internet Protocol)• nel TCP/IP errori e perdite di pacchetti
sono recuperati dal protocollo TCP
Reti locali e geografiche
router
LANLAN
LAN
WAN(Wide Area Network)
LAN (LocalArea Network)
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Internet Protocol Suite (TCP/IP)
sessione
trasporto
network
data link
fisico
applicazione
presentazione
5
4
3
2
1
7
6
OSI
trasporto (TCP e UDP)
network (IP, ARP, ecc.)
host - rete(non specificato)
applicazione(telnet, FTP, SMTP,DNS, HTTP, ecc.)
TCP/IP
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fisico
data link
network
trasporto
sessione
present.
appl.
fisico
data link
network
trasporto
sessione
present.
appl.
fisico
data link
network
fisico
data link
network
sottorete di comunicazione
Riepilogo dei livelli OSI
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Protocolli
fisico
data link
network
trasporto
sessione
present.
appl.
fisico
data link
network
trasporto
sessione
present.
appl.
fisico
data link
network
fisico
data link
network
sottorete di comunicazione
protocollo di livello 5protocollo di livello 5
protocollo di livello 4protocollo di livello 4
...
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Trasmissione
fisico
data link
network
trasporto
sessione
present.
appl.
fisico
data link
network
trasporto
sessione
present.
appl.
fisico
data link
network
fisico
data link
network
sottorete di comunicazione
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fisico
data link
network
trasporto
sessione
present.
appl.
fisico
data link
network
trasporto
sessione
present.
appl.
Imbustamento multiplo in OSI
dati
datiAH
datiPH
datiSH
datiTH
datiNH
datiDH DT
bit
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Internet e la multimedialità
• Alcuni applicativi di uso comune inInternet sono multimediali
• Internet Explorer• Netscape
• La multimedialità in rete permette direalizzare servizi audio e video (es. radio,TV) in digitale su Internet
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è Eventi audio/video in diretta
è Servizi nearly-VOD
è Videoconferenza multipunto
è Distribuzione aggiornamenti software
Esempi:Esempi:
Esigenze del traffico multimediale
• Banda trasmissiva elevata
• Ritardi contenuti (per servizi interativi)• Jitter (variabilità del ritardo)
• Basso tasso di errore• assenza di correzione (protocolli non
connessi)
• consistenti perdite di informazione inseguito a errori a causa dellacompressione
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I limiti della rete
• Banda trasmissiva spesso insufficiente• Ritardi eccessivi• Eccessiva variabilità del ritardo• Perdita dei pacchetti a causa della
congestione della rete
Ø Manca ancora una qualità del serviziogarantita in ogni punto della rete
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Soluzioni (si fa per dire…)
• Compressione dei dati
• Codifiche “robuste”• Marcatura del traffico in base alle
esigenze di servizio
• Trattamento differenziato dei pacchettinelle code dei router
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Trasmissione unicast
LAN
extended LAN
WAN
LAN
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Trasmissione multicast
LAN
extended LAN
WAN
LAN
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Il problema
Applicazioni di rete cherichiedono la spedizionedi pacchetti da uno o più
sender a gruppi di receiver
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Trasmissione multicast
Il livello rete fornisceun supporto esplicito
al multicast
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Classe D degli indirizzi IP
è Da 224.0.0.0 a 239.255.255.255
Indirizzi multicast
Su Internet
è Registrazione degli indirizzi pubblici
Sulle intranet
è Lotto disponibile:239.0.0.0 - 239.255.255.255
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Protocolli per il multicast
è Creare e terminare un gruppo dimulticast
è Interazione dei router tra di loroper inoltrare i pacchetti multicast
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 53
Internet e la telefonia: Voice Over IP
• Il concetto è sorprendentementesemplice!
• Convertire la voce in pacchetti IP etrasferirli su una rete dati
• Il tutto dovrebbe chiamarsi Voice overPacket in quanto si può applicare aqualunque tecnologia (Frame Relay, IP,ATM)
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 54
Internet e la telefonia: Voice Over IP
L’interfacciamento tra telefonia tradizionalee Voice Over IP può avvenire:
• a livello SW direttamente sulcalcolatore (es. applicativoNet2Phone)
• a livello HW presso l’utente(adattatori locali per latelefonia tradizionale)
• a livello HW presso le centraliTLC o gli ISP (gateway VOIPsulle dorsali)
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Fax
Fax
PBX
rete IP
VOIP sulle dorsali• I gateway (nodi di transito) adattano la
telefonia tradizionale alle packet-basednetworks: circuiti telefonici in ingresso,pacchetti IP in uscita
gateway
L I N
E
B U S
R T S R T S R T S R T S R T S
R T S R T S R T S R T S R T ST X D T X D T X D T X D T X DR X D R X D R X D R X D R X D
D C D D C D D C D D C D D C DS T A TS T A TS T A TS T A TS T A T
1 2 3 4 50/
L I N E
B U S
R T S R T S R T S R T S R T S
R T S R T S R T S R T S R T ST X D T X D T X D T X D T X DR X D R X D R X D R X D R X D
D C D D C D D C D D C D D C DS T A TS T A TS T A TS T A TS T A T
1 2 3 4 50/
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Come contattare il prof. Montessoro
E-mail: [email protected]: 0432 558286
Fax: 0432 558251
URL: www.montessoro.it